嵌入式系統(tǒng)的USB虛擬串口設(shè)計
現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中,異步串行通信接口往往作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)出現(xiàn)在單片機和嵌入式系統(tǒng)中。但是隨著個人計算機通用外圍設(shè)備越來越少地使用串口,串口正在逐漸從個人計算機特別是便攜式電腦上消失。于是嵌入式開發(fā)人員常常發(fā)現(xiàn)自己新買來的計算機上沒有串口,或者出現(xiàn)調(diào)試現(xiàn)場用戶的計算機沒有串口的尷尬局面。相反,現(xiàn)在的個人計算機普遍擁有4個以上的USB接口,能不能使用USB接口代替串口,完成PC機和嵌入式系統(tǒng)的通信呢?
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/150884.htm首先,越來越多帶USB接口的器件涌現(xiàn)出來,如帶USB接口的單片機,或獨立的USB接口器件,而且這些器件的成本已經(jīng)很接近于使用RS232電平轉(zhuǎn)換芯片所帶來的成本。
其次,市場上也出現(xiàn)了一些USB接口轉(zhuǎn)串口的芯片,這些芯片一頭為串口,另一頭為USB接口,在其內(nèi)部完成串口到USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換。該芯片通過USB口連接到個人計算機后,在操作系統(tǒng)中表現(xiàn)為一個串口設(shè)備,這意味著USB接口對于傳統(tǒng)的串口調(diào)試工具(HyperTerninal)和用戶基于串口的應(yīng)用程序是透明的,開發(fā)人員完全不用更改PC端的調(diào)試和應(yīng)用程序。
但是這些器件的USB類不屬于標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備類,因此需要在Windows和Linux操作系統(tǒng)上安裝額外的設(shè)備驅(qū)動。另外,由于不是操作系統(tǒng)自帶的設(shè)備驅(qū)動,而且通信經(jīng)過了由串口到串口,USB從設(shè)備到USB主機的多次轉(zhuǎn)換,當(dāng)調(diào)試遇到問題時常常無法確定是串口出了問題還是USB出了問題。因此,應(yīng)該使嵌入式系統(tǒng)直接和PC通過USB總線接口連接(通過片上的USB接口或片外USB接口芯片),由單片機直接完成USB虛擬串口的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
在USB標(biāo)準(zhǔn)子類中,有一類稱之為CDC類,可以實現(xiàn)虛擬串口通信的協(xié)議,而且由于大部分的操作系統(tǒng)(Windows和Linux)都帶有支持CDC類的設(shè)備驅(qū)動程序,可以自動識別CDC類的設(shè)備,這樣不僅免去了寫專用設(shè)備驅(qū)動的負(fù)擔(dān),同時簡化了設(shè)備驅(qū)動的安裝。
2 什么是CDC類
USB的CDC類是USB通信設(shè)備類(Communication Device Class)的簡稱。CDC類是USB組織定義的一類專門給各種通信設(shè)備(電信通信設(shè)備和中速網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備)使用的USB子類。根據(jù)CDC類所針對通信設(shè)備的不同,CDC類又被分成以下不同的模型:USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)(POTS)模型,USB ISDN模型和USB網(wǎng)絡(luò)模型。其中,USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模型,有可分為直接線控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB電話模型(USB Telephone Model),如圖1所示。本文所討論的虛擬串口就屬于USB傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模型下的抽象控制模型。
通常一個CDC類又由兩個接口子類組成通信接口類(Communication Interface Class)和數(shù)據(jù)接口類(Data Interface Class)。筆者主要通過通信接口類對設(shè)備進(jìn)行管理和控制,而通過數(shù)據(jù)接口類傳送數(shù)據(jù)。這兩個接口子類占有不同數(shù)量和類型的終端點(Endpoints),如圖2所示。對于前面所述的不同CDC類模型,其所對應(yīng)的接口的終端點需求也是不同的。如所需要討論的抽象控制模型對終端點的需求,通信接口類需要一個控制終端點(Control Endpoint)和一個可選的中斷(Interrupt)型終端點,數(shù)據(jù)接口子類需要一個方向為輸入(IN)的周期性(Isochronous)型終端點和一個方向為輸出(OUT)的周期性型終端點。其中控制終端點主要用于USB設(shè)備的枚舉和虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類型(數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位和起始位)設(shè)置的通信。輸出方向的非同步終端點用于主機(Host)向從設(shè)備(Slave)發(fā)送數(shù)據(jù),相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的TXD線(如果從單片機的角度看),輸入方向的非同步終端點用于從設(shè)備向主機發(fā)送數(shù)據(jù),相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的RXD線。
3 AT89C5131的簡單介紹
基于單片機的嵌入式系統(tǒng)要實現(xiàn)USB總線通信,通常都是通過外擴專用的USB總線接口芯片(如飛利浦的D12)。但是這樣的方案既增加了成本,又使PCB板的面積變大,所以使用Atmel公司的集成了USB2.0全速(Full Speed)從接口外設(shè)的51單片機AT89C5131。
AT89C5131是一個基于52內(nèi)核的單片機。在存儲器方面,其內(nèi)部集成了32KB的Flash存儲器用于代碼的存儲,1KB的EEPROM存儲器用于用戶數(shù)據(jù)的存儲,用戶可以使用片上的Bootloader或Flash API通過USB接口或者其他接口(如UART和I2C總線)對Flash存儲器和EEPROM存儲器進(jìn)行ISP或者IAP編程。 此外AT89C5131還集成了10位的ADC、I2C總線接口和PCA模塊等豐富的外設(shè)。
AT89C5131的USB2.0全速從接口的結(jié)構(gòu)如圖3所示,其包括USB D+/D-的接口緩沖,數(shù)字鎖相環(huán),串行接口引擎(SIE)和通用功能接口(UFI)。其中數(shù)字鎖相環(huán)以單片機的時鐘為輸入,產(chǎn)生了USB接口其他部分所需的48MHz時鐘。串行接口引擎完成USB通信物理層NRZI碼的編碼與解碼,CRC生成以及校驗與糾錯。通用功能接口包含了一個雙端口的數(shù)據(jù)存儲器,其一端與串行接口引擎鏈接,另一端通過數(shù)據(jù)總線與單片機相連接,使單片機可以通過特殊功能寄存器完成對USB2.0從接口的控制與通信。
AT89C5131的USB2.0全速從接口包含了7個終端點,其中0號終端點被配置成為默認(rèn)的控制終端點。其他1~6號終端點都可以通過特殊寄存器配置為控制(Control),突發(fā)(Bulk),中斷(Interrupt)和周期性(Isochronous)模式。由于每一個終端點都由一組獨立的寄存器對該終端點進(jìn)行控制、狀態(tài)識別和數(shù)據(jù)的存取,則如果將這些寄存器直接映射到51單片機的特殊功能寄存器地址空間顯然是容納不下的。因此,這7個終端點的7組寄存器在單片機的地址空間中其實使用的是同一組寄存器的地址,而通過一個特殊功能寄存器(UEPNUM)來選擇當(dāng)前該組寄存器實際選擇的是哪個終端點的寄存器組,這樣就大大節(jié)省了所占用的地址空間,為集成其他特殊外設(shè)提供了可能。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
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